[논문]표면 플라즈몬 공명 센서에서의 쌍금속 은-금 박막 구조의 광학 특성

권혁록; 이성혁

[국내논문] 표면 플라즈몬 공명 센서에서의 쌍금속 은-금 박막 구조의 광학 특성
Optical Characteristics of Bimetallic Silver-Gold Film Structure in Surface Plasmon Resonance Sensor Applications 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.56 no.1, 2007년, pp.156 - 160

Abstract ▼ AI-Helper

Surface plasmon resonance(SPR) has been widely studied for biological and chemical sensing applications. The present study conducts numerical simulation for the single and bimetallic layer SPR configurations by using the multiple beam interference matrix(MBIM) method to investigate the influence of wave interference and complex refractive indices of materials on optical characteristics such as reflectance and optical phase shift which are used for sensing. First, calculated reflectances are compared with experimental data for validation. In addition, in the single film structures this study finds out the appropriate film thicknesses with minimum reflectance for cases of gold film and silver film. For a bimetallic silver-gold film structure, in particular, the bimetallic film thicknesses that has the minimum reflectance are found 36 nm for silver and 5 nm for gold. From the results, the use of phase shift would be useful compared to reflectance in determining the SPR configuration because the phase shift becomes more sensitive than reflectance.

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문제 정의

따라서 이러한 빛의 간섭효과와 다층에서 변화하는 굴절지수를 고려하기 위해서 전자기 이론을 사용하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 쌍금속 은-금 박막 구조 SPR 센서의 광학적 특성을 전자기 이론에 기초한 다중빔간 섭행렬(Multiple Beam Interference Matrix: MB IND 방법을 이용하여 수치해석적으로 연구하였다. 수치해석에 사용한 SPR 센서의 구조가 그림 2에 나와 있으며, 본 연구에서 사용한 각 층의 두께는 각각 %ass는 25 mm, &<#는 30 mm로 고정하였으며 금과 은의 두께는 다양하게 변화한다.
한편 은 박막의 경우에 대해서도 SPR 센서에서의 금속의 두께에 대한 영향을 알아보았다. 은 박막의 경우 최소의 반사율 및 가장 날카로운 SPR 패턴을 보여주는 박막의 두께는 39 nm이다.
본 연구에서는 단금속과 쌍금속 은-금 SPR 구조에서 금속 박막의 두께에 따른 반사율과 위상 변화를 살펴보았다.
k 및 두께에 밀접한 관련이 있다. 따라서 높은 정확도와 정말도를 가진 측정을 위해서 본 연구에서는 금속 박막의 두께에 대한 영향을 알아보았다. 또한 은과 금의 특징을 동시에 사용할 수 있다는 장점을 통하여 현재 널리 연구되고 있는 쌍금속 은-금 박막 구조에서도 금속 박막의 두께에 따른 영향에 대해서 연구를 수행하였다.
따라서 높은 정확도와 정말도를 가진 측정을 위해서 본 연구에서는 금속 박막의 두께에 대한 영향을 알아보았다. 또한 은과 금의 특징을 동시에 사용할 수 있다는 장점을 통하여 현재 널리 연구되고 있는 쌍금속 은-금 박막 구조에서도 금속 박막의 두께에 따른 영향에 대해서 연구를 수행하였다. 이 결과는 SPR 센서의 제작에 있어서 적절한 금속 박막의 두께 선택의 중요성을 상기시켜주고 실제 SPR 센서의 제작 시 좋은 참고자료가 될 것이라 생각된다.

제안 방법

상기에서 검증된 MBIM 방법을 이용하여 반사율의 변화를 예측하여 SPR 바이오 센서에서 금속 두께에 대한 영향을 연구하였다. 먼저 그림 5~8은 금 또는 은 하나의 금속 박막을 가진 SPR 구조의 금속 박막의 두께에 따른 반사율의 변화를 보여주고 있다.
또한 쌍금속 은-금 SPR 구조에 대해서도 해석을 수행하였다. 쌍금속의 경우에 있어서는 금 박막의 두께가 얇아질수록 날카로운 SPR 패턴을 보여주지만 금 박막을 입히는 공정상의 한계를 감안하여 금 박막의 두께를 5 nm로 고정하였다.
쌍금속의 경우에 있어서는 금 박막의 두께가 얇아질수록 날카로운 SPR 패턴을 보여주지만 금 박막을 입히는 공정상의 한계를 감안하여 금 박막의 두께를 5 nm로 고정하였다. 이 상태에서 은 박막의 두께를 변화시켜가면서 반사율의 변화를 살펴보았다.
쌍금속의 경우에 있어서는 금 박막의 두께가 얇아질수록 날카로운 SPR 패턴을 보여주지만 금 박막을 입히는 공정상의 한계를 감안하여 금 박막의 두께를 5 nm로 고정하였다. 이 상태에서 은 박막의 두께를 변화시켜가면서 반사율의 변화를 살펴보았다. 그림 9에서 보듯이, 은 박막이 36 nm가 될 때 최소의 반사율을 보여주고 있으며, 즉 쌍금속 은-금 SPR 구조에서는 은 박막과 금 박막이 각각 36 nm와 5 nm일 때 최소의 반사율 및 가장 날카로운 SPR 패턴을 나타냄을 알 수 있었다.

성능/효과

먼저 본 연구에서는 MBIM 방법이 SPR 구조에서의 반사율 및 위상의 변화 해석에 타당한지를 검증하기 위하여 참고 문헌에 나와 있는 실험 자료와 수치해석 결과를 비교하였다 그림 4에 비교한 결과를 보여주고 있으며 실험의 반사율과 MBIM 방법을 이용한 반사율이 잘 일치함을 확인하였다.
금 박막의 두께가 52 nm 이상일 경우에는 반사율이 점점 증가하고 52 nm 이하인 경우에는 반사율도 점점 증가할 뿐만 아니라 SPR 패턴도 점점 넓어지는 것을 확인하였다“
이 결과는 SPR 센서의 제작에 있어서 적절한 금속 박막의 두께 선택의 중요성을 상기시켜주고 실제 SPR 센서의 제작 시 좋은 참고자료가 될 것이라 생각된다. 또한 본 연구에서는 입사되는 각도에 따른 반사율의 변화와 위상변화를 서로 비교함으로써 현재 새로운 측정법으로 많이 연구되고 있는 위상 변화를 이용한 SPR 센싱 기법의 가능성과 그 우수성을 보여주었다. 또한 정량적으로 SPR 센서에서의 입사각의 변화에 따른 반사율과 위상의 변화를 비교하여 반사율의 변화보다 위상의 변화가 SPR각을 기준으로 더욱 급격히 변하는 것을 알아내었고 따라서 SPR 센서에서 측정 매개체를 반사율보다 위상의 변화를 사용하는 것이 센서로서 매우 우수한 성능을 나타냄을 알 수 있었다.
또한 본 연구에서는 입사되는 각도에 따른 반사율의 변화와 위상변화를 서로 비교함으로써 현재 새로운 측정법으로 많이 연구되고 있는 위상 변화를 이용한 SPR 센싱 기법의 가능성과 그 우수성을 보여주었다. 또한 정량적으로 SPR 센서에서의 입사각의 변화에 따른 반사율과 위상의 변화를 비교하여 반사율의 변화보다 위상의 변화가 SPR각을 기준으로 더욱 급격히 변하는 것을 알아내었고 따라서 SPR 센서에서 측정 매개체를 반사율보다 위상의 변화를 사용하는 것이 센서로서 매우 우수한 성능을 나타냄을 알 수 있었다.

후속연구

또한 은과 금의 특징을 동시에 사용할 수 있다는 장점을 통하여 현재 널리 연구되고 있는 쌍금속 은-금 박막 구조에서도 금속 박막의 두께에 따른 영향에 대해서 연구를 수행하였다. 이 결과는 SPR 센서의 제작에 있어서 적절한 금속 박막의 두께 선택의 중요성을 상기시켜주고 실제 SPR 센서의 제작 시 좋은 참고자료가 될 것이라 생각된다. 또한 본 연구에서는 입사되는 각도에 따른 반사율의 변화와 위상변화를 서로 비교함으로써 현재 새로운 측정법으로 많이 연구되고 있는 위상 변화를 이용한 SPR 센싱 기법의 가능성과 그 우수성을 보여주었다.

참고문헌 (6)

Jiri Homola, et al., 'Surface Plasmon Resonance Sensors: Review', Sensors and Actuators B, vol. 54 No. 1/2 3-15, 1999
？Ong, B. H., et al., 'Optimised Film Thickness for Maximum Evanescent Field Enhancement of a Bimetallic Film Surface Plasmon Resonance Biosensor', Sensors and Actuators B, vol. 114, No 2, pp. 1028-1034, 2006

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Jiri Homola, 'Present and Future of Surface Plasmon Resonance Biosensors', Analytical and Bioanalytical Chemistry, vol. 377, No.3, 528-539, 2003

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？Marvin J. Weber, Handbook of Optical Materials, CRC, pp. 55-69, Press, 2003
？Vitalii Silin, et al., 'SPR Studies of the Nonspecific Adsorption Kinetics of Human IgG and BSA on Gold Surfaces Modified by Self- Assembled Monolayers (SAMs)', Journal of Colloid and Interface Science, vol. 185, No.1, pp. 94-103 , 1997

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？Shuai Shen, et al., 'Optical Phase-Shift Detection of Surface Plasmon Resonance', Applied Optics, vol. 37, No 10, pp. 1747-1751, 1998

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